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智慧农业

温室花房控制系统开发设计


随着人们的生活水平的日益提高,对花卉欣赏以及花卉使用的需求越来越大,人们想方设法突破温度的限制,以实现在各种地区气候都能培育种类繁多的花卉来,花卉温室控制发展越来越多,但需要的人力、物力是非常巨大的,并且收益并不怎么明显。鉴此,我们设计出基于单片机技术的花房控制系统,让花房发挥更大功效。即使在规模较小,设备不齐全的花房里也可发挥大部分作用,也为部分条件不好的花农提供福音。

一、花房温室系统设计方案

本项目为基于单片机技术的花房控制系统。本设计在主控芯片控制的各个传感器和装置的基础上,满足多方位数据的采集,智能自动调控的基本目的,同时添加GSM远程通信,在自动基础上可以远程对任何环境参数进行设定,满足花农对不同花类在不同生长期对环境的特定需求的。在如此的基础上可以实现多功能,全天候对花房的环境因素的调控,也保证拥有实时抽样检测的特点。由于装置简单,特点明确,可以根据花房的形状与大小进行全系统装置的合理缩放,保证各个规模的花农都可以在相对经济的基础上用到方便的智能化装置。系统框图如图1所示。

图 1 花房控制系统设计框图

利用STC15系列单片机建立主控平台,结合花房参数采集的各类传感器和GSM(SIM300)通信模块。传感器实时采集花房内各类环境信息(温度,湿度,二氧化碳浓度,光照强度,氧气浓度等)传递给单片机,单片机根据原设定参数范围进行比较,将范围之外的参数进行分析,得出需要调控的程度并控制效应器进行适度的调控使得该目标参数回归至合适的范围内。本设计支持用户通过手机主动指令,即可在花农远离花房的前提下进行对花房当下数据的采集,并且可以远程重设数据范围,以满足各类花卉在不同生长期对环境的而特殊需求。

二、单片机与GSM模块的通信描述

单片机与GSM模块的通信采用232通信接口,软件的关键是做好单片机对手机AT指令的操作。GSM模块采用SIM300,SIM300带有标准的串行通信接口通过MAX232进行电平转换后与单片机进行接口。设置SIM300模块的工作模式为PDU模式。使用文本模式收发短信代码简单,实现起来容易,但最大的缺点是不能收发中文短信;而PDU模式不仅支持中文短信,也能发送英文短信。PDU相当于一种数据结构,它包含源、目的地址,有效时间,数据格式,协议类型和正文。

三、花房温室控制系统方案优势

比较人工的控制来说,花房智能控制最大的好处就是能够相对恒定的控制花房内部的环境,对于环境要求比较高的植物来说,更能避免因为人为因素而造成生产损失相对生产来说,将智能化控制系统应用到花卉生产以后,花卉的培育比人工控制的花房都有极大的提高,对于不同的花卉品种而言,保证品相和成活率,对于档次较高的珍贵品种来说,生产效率可以大大提高。花房应用自动控制技术,可达到改善花卉品质、调节生长周期、提高经济效益的目的,尤其是可实现温室管理的高效和精准。对于规模化的大棚设施而言,如果借助人工来调控温大棚内的环境条件,需要大量人手和时间,而且存在难以避免的人工误差。如果应用GSM自动控制技术,用户只需通过手机向GSM发送短息,单片机接收并识别指令信息,进行应对操作。在最短的时间里代替人工操作,完成对花房的智能调控。极大地避免过度依赖网络而使得本分地区过于偏远和规模较小的花房无法进行智能控制装置的安装的缺点。

温度在日常生活中扮演着极其重要的角色。如冷藏库温度监测、药厂监测系统、电信机房监控、楼宇自控、仓库温度监测、环境监测、过程温度监测、中央空调监测、农业温度大棚等许多领域均具有良好的应用前景。这里的关键技术涉及到信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。温度传感器正从模拟式向数字式,从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。DS18B20是一种可组网的高精度数字温度传感器,由于其具有单总线的优点,非常适用于构建高精度、多点网络化温度测量系统,实现对各测量点温度的实时采集、显示、超限报警、数据记录、历史查询、曲线绘制等功能。因此,研究采用数字温度传感器(DS18B20)如何组建并基于嵌入式操作系统的多点温度监测系统具有现实意义。

四、基于ARM的花房温度监控系统设计原理

该系统是一种采用实时操作系统?C/OS-П、高速ARM微控制器、数字温度传感器,LCD显示、Flash存储等5个单元组成。通过RS232/RS48串口通信实现与上位机进行数据传输的新型分布式高速多点花房温度监测系统。

该系统的核心部件是ARM微处理器向温度传感器发送控制信号,温度传感器采集温度数据并传送给ARM处理器,处理器将采集到的数据通过LCD实时显示并定时将温度数据存储到Flash中,通过UART串口将保存的温度数据由(RS232/485)有线传输到上位机,实现数据库的建立,将这些数据长期存储起来,以备查看历史数据库以数值和绘制动态曲线的方式显示,实现历史数据打印,用作后期分析与研究,或者提醒用户进行相应的操作。

五、温室花房系统硬件平台的构建与器件选择

(1)控制平台:若用ARM9作为温度测控系统的控制平台则不仅速度快、性能高、功耗低、芯片集成度高,而且外围接口丰富,还可移植嵌入式实时操作系统,简化了LCD显示、存储、网络通信等的设计开发。系统采用Embest公司的ARM 9实验教学开发板Embest EDUKIT-П/Ш。

(2)系统总线的选择:严格的通信协议可以保证各位数据传输的正确性和完整性。组建多点温度监测到上位机/下位机通信系统,考虑到成本、传输距离、传输速率、传输的方向,以及在总线上允许连接的收发器的个数,比如RS232只允许连接1个收发器;RS-422总线协议采用单向传输方式;RS-485总线协议增加了多点,具有双向通信能力,即允许多个发送器连接在同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性。因此选择成本相对较低,通信距离相对较远的RS-485协议进行下位机和上位机的通信。

(3)数据采集单元选择:温度传感器(DS18B20)的"一线总线(1-wire-bus)"特性可以方便地使每个模块都有一个独立地址,其优越性为(1)仅使用ARM一条端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路,可以方便地实现智能单元扩展,组成多点多种传感器信号采集系统;(2)现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境的现场温度测量,(3)新型现场总线所配备的相应总线模块具有极强的联网特性,在温度、湿度测控网络化方面得到了快速的发展。

利用嵌入式高速微处理器ARM和单总线数字温度传感器DS18B20构建的测温网络设计灵活、方便、抗干扰能力也较强、分辨率高、高速处理数据,适合于在恶劣环境下进行现场温度测量。因此本文所设计的系统采用DS18B20数字温度传感器。

(4)数据采集与串口通信功能:嵌入式系统由于集成了UART串口部件交换数据,故串口通信是一种最基本的通信手段。系统中,系统中DS18B20负责温度采集、ARM处理器负责处理和控制,上位机进行现场可视化检测显示下位机采集的数据和对下位机进行各种参数设置。通过Embest EDUKIT-П/Ш开发板的串口UART0与PC机进行设备间的通讯,构成总线式测温网络系统。

(5)LED显示与控制:采用共阴极8段数码管来显示温度,其显示由ZLG7290控制,其中DIG1~DIG8引脚输出LED显示所需的位驱动信号,而SEGA~SEGG及DP引脚输出LED显示所需的段驱动信号。

(6)看门狗电路:看门狗电路是保证系统长期、可靠和稳定运行的有效措施,是在微控制器受到干扰进入错误状态后,使系统在一定时间间隔内进行复位,看门狗定时器会在每128个系统时钟周期发出一个复位信号,也可作为一个通用的16位中断定时器来请求中断服务。

总结

基于单片机技术的花房控制系统不但能解决设施花房温度和光照的控制问题,为花卉培育的标准化、规模现代化发提供必要的技术支撑。同时以实现GSM对花房实施远程人工控制和实时监测,用户通过发送信息指令控制花房的各项参数,保证各项参数在预设范围之内,减轻劳动者的压力,节省时间,减少开支,增加收入,有着深远的现实意义。

将嵌入式系统与现场总线技术、互联网技术结合的嵌入式远程监控系统,可将监视范围扩大到更大的空间,进一步推进了控制技术向网络化、分散化和开放化的发展,将成为工业控制网络重要的发展方向之一。基于ARM的多点温度监控系统,不仅电路简单,而且方便实用。还可以在系统的基础上,加入更多的监视信号,如湿度、压力等;也可以通过现场显示、有线传输、无线发送等方式实现远程监控,使得整个系统在传输方式和采集的数据信息上均可实现多样化。

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